文圖/優(yōu)步

無人駕駛載人飛行器也被大眾稱為無人駕駛空中出租車。優(yōu)步公司一直有一個夢想，將無人駕駛載人飛行變成現實。該公司不僅積極推進戰(zhàn)略構建，而且描繪了未來無人駕駛空中出租車藍圖。

無人駕駛載人飛行生態(tài)系統(tǒng)正處于蓬勃發(fā)展階段，多家公司已著手開發(fā)和試飛早期原型機。2016年，美國國家航空航天局航空研究任務委員會副署長賈旺·申最近在有關“無人機和航空業(yè)的未來”的白宮研討會上表示，美國國家航空航天局對無人駕駛載人飛行的前景持樂觀態(tài)度：“空中出租車將結合采用電力驅動系統(tǒng)、自主駕駛技術、垂直起降技術以及很多其他通信和導航功能。完全自主化的空中出租車運營，尤其是在人口密集、交通擁堵問題嚴重的區(qū)域，想到這樣的可能性將變?yōu)楝F實，真是令人無比激動。當我們將所有這些功能融合到一起時，航空領域將翻開新的篇章，我們即將迎來一個新的航空時代?！?/p>

目前，雖然世界各國的制造商紛紛涉足，但是尚沒有一套明確的設計標準。未來的無人駕駛載人飛行器到底是什么樣子？優(yōu)步公司給出了自己的答案。優(yōu)步公司認為，未來的無人駕駛載人飛行器在拼機網絡中提供服務，必須克服下列四個主要障礙才具備商業(yè)可行性：安全、噪聲、排放和飛機性能。解決這些難題需要用到兩大重要的技術：分布式電力推進系統(tǒng)和自主駕駛技術。

安全性高

要廣泛普及無人駕駛載人飛行這種拼機選擇，乘坐無人駕駛垂直起降飛行器一定要比乘坐汽車更加安全才行。為了使無人駕駛載人飛行被市場所接受，僅僅聲稱這種飛行器跟駕車一樣安全，尤其是考慮到大眾對自主駕駛車輛可能帶來安全改進的積極反饋，幾乎可以肯定是不夠的。此外，大眾普遍認為，商業(yè)航空比駕車要安全得多，這也在無形中加大了運營商的服務安全壓力，尤其是面向日常使用的載人飛行服務，壓力只會更大。

安全目標

按照《美國聯(lián)邦航空條例》(FAR)第 121 部規(guī)定，航班幾乎可以肯定是最安全的交通方式。優(yōu)步的初始目標就是將每乘客里程的死亡人數降低到駕車的一半，即將安全水平提高到兩倍。目前，按照第135部運營的直升機和固定翼飛機是最接近的代表性產品，空中出租車的安全水平僅為駕車的二分之一，這意味著優(yōu)步需要提高三倍(將每億乘客里程的死亡人數從1.2降至0.3) 才能達到安全目標。在無人駕駛載人飛行器的制造、飛行和維護方面，優(yōu)步公司將會遵循比第135部更為嚴格的控制級別和美國聯(lián)邦航空局(FAA)的監(jiān)管要求。此外，至少在自主駕駛得到廣泛普及之前，運營無人駕駛載人飛行器將需要比私人飛行員更加訓練有素、經驗更豐富、飛行審核更嚴格且健康認證要求更高的商業(yè)飛行員。即使在飛機故障率相等的情況下，嚴格按照第135部規(guī)定運營無人駕駛載人飛行器的事故率至少可以控制在同樣低的水平上。

提高安全性

由于大部分地區(qū)都沒有雷達監(jiān)測，因此無法實時管制空中交通，而天氣預報也往往不準確。規(guī)劃欠佳和錯誤判斷共同導致失控，飛行員的個人能力不足，加上惡劣的天氣狀況，勢必會造成飛行器脫離飛行員的控制而導致悲劇發(fā)生。這些事故本可以通過相對簡單的自主駕駛技術避免，此類自主駕駛技術不僅能夠更好地控制飛機，還能及時了解最新的導航和天氣信息。經驗證，自主防撞系統(tǒng)已成功幫助多名F-16飛行員幸免于難。阿拉斯加的空中相撞事故率已顯著減少，當地政府大量引入更好的導航傳感器和飛機到飛機的廣播式自主播報監(jiān)視(ADSB) 系統(tǒng)，到2020年，這些裝備將被普遍應用到在密集城區(qū)飛行的所有飛機上。無人駕駛載人飛行器也必將利用數字電傳操縱系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中增加安全駕駛輔助系統(tǒng)將能夠大大減少因飛行員操作失誤而造成的飛機失控。安全駕駛輔助系統(tǒng)將最終發(fā)展為完全自主駕駛系統(tǒng)，這也會對飛行安全產生顯著的積極影響。

由于半數的飛行事故歸根結底是由天氣數據掌握不足、飛行員主觀臆斷所致，在城市區(qū)域飛行中實時掌握天氣情況并空中交通管理將使現有的第135部運營的安全性與駕車的安全性不相上下。通過采用先進的安全駕駛輔助系統(tǒng)和自主駕駛系統(tǒng)將安全性進一步提高一倍，無人駕駛載人飛行器將朝著實現2倍于駕車安全性的最初目標邁進。

分布式電力推進系統(tǒng)

為了使無人駕駛載人飛行器達到高于飛機的安全性，必須考慮控制多個推進電機的復雜性。從本質上而言，優(yōu)步公司認為，無人駕駛載人飛行器可以進入自主駕駛狀態(tài)，也就是說，除非有障礙物和其他飛機造成視覺障礙的情況下，否則，無人駕駛載人飛行器無須飛行員操控。飛行員無須實際操控發(fā)動機和操縱面，只需要設定一條航線，飛行器就會沿著設置的航線自主飛行。直接的機械控制工作大大減少，飛行員可以集中精力監(jiān)測各種狀況，而不必規(guī)劃和執(zhí)行飛機飛行狀態(tài)的具體操作，便可以按照設置的航線飛行。保守估計，從基于飛行狀態(tài)到基于航線的飛行，飛行員操縱能力將提高到2倍，預計總死亡率可至少降至地面駕車的一半。

除了不明狀況和失去控制，導致事故的第二大原因與發(fā)動機故障有關，發(fā)動機故障和燃料管理失誤所導致的事故一共占到了通用航空事故的18%。幸運的是，這兩種原因都能通過實施分布式電力推進技術來消除，而該技術是新型飛機概念的基礎。通過使用多個(一般而言為6個或更多) 電機、控制器和一個冗余總線結構，利用完全的推進系統(tǒng)冗余避免發(fā)生災難性發(fā)動機故障。發(fā)動機故障可能導致減速或上升能力減弱，但仍能在飛機安全系數內維持對飛行器進行完全控制。在這方面改進有望在前述目標的基礎上進一步降低事故率。

結合分布式電力推進技術與自主駕駛技術將有機會實現全數控電傳操縱系統(tǒng)，在數字系統(tǒng)之間進行交互，而且不需要復雜的模擬接口或機械接口。推進系統(tǒng)中每個元件的數字數據(從電池的充電電壓狀態(tài)到電機溫度) 均可通過冗余的主飛行控制器進行管理，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能和運行狀況。

分布式電力推進技術不僅提供了冗余，而且還會增強飛機系統(tǒng)設計中的控制穩(wěn)健性。因此，任何組件發(fā)生故障都可以從容應對，飛機都可以安全著陸。穩(wěn)健的飛機控制確保能夠妥善處理飛機控制系統(tǒng)中的不確定性或干擾。此外，控制穩(wěn)健性還有助于應對強風和陣風飛行條件，尤其是在局部氣流干擾頻發(fā)的城市中飛行時。

垂直飛行會增加操縱難度，這是以傳統(tǒng)方式起飛和著陸的飛機無須面臨的問題。分布式電力推進技術已經解決了大多數難題；采用分布式電力推進技術的垂直起降飛行器很可能具有更高的下洗氣流速度，從而可以更快速地降落；將其與多個螺槳旋翼結合使用有助于避免旋翼產生再循環(huán)氣流(例如陷入渦環(huán)狀態(tài)) 。下洗氣流速度是在推進系統(tǒng)螺旋槳的作用下向下偏轉以實現垂直起降的誘導氣流速度。采用分布式電力推進技術的無人駕駛載人飛行器配置通常使用每ft210～20lbf(1lbf(磅力)≈4.448N)的推力。

無人駕駛載人飛行器的推重比通常為1.15或以上，以便在上升時提供額外動力。該推重比通常在連續(xù)的額定功率下測得。相比而言，渦輪發(fā)動機和活塞發(fā)動機通常能夠提供短時緊急額定功率，將動力提升10%～20%，而電機一般能在1～2min內將動力提升50% 以上，直到溫度過熱。最高定額功率不用于計算推重比，僅用于電機故障等緊急情況。

圖1 優(yōu)步公司預測，2025 年人類即將迎來拼機共享出行的新時代

圖2 全自主駕駛以及來自真實飛行的大量數據，在設計中的體現將推動無人駕駛載人飛行器達到航空公司的飛行安全水平

如果需要調整飛機大小以有效應對單發(fā)動機(或電機) 故障的狀況，同時又要保證有足夠的動力完成飛行并安全著陸時，一架雙發(fā)動機直升機需要具有2.0以上的推重比，且最高額定功率可在單發(fā)動機緊急情況下提供1.1～1.2的有效推重比。對于采用分布式電力推進技術、配備6個螺旋槳的無人駕駛載人飛行器而言，單發(fā)動機故障會導致推力降低約17%，在單發(fā)動機無效的緊急情況下，電機的最高額定功率提供的推力完全可以彌補之前降低的推力。

這種通過調整飛機大小來有效應對發(fā)動機(電機) 故障的措施是分布式電力推進技術的重要優(yōu)勢之一，可以彌補之前的垂直起降飛機的相關劣勢。直升機可以自主旋轉，并可在沒有動力的情況下緊急著陸，而采用分布式電力推進技術的無人駕駛載人飛行器不太可能自主旋轉(取決于具體配置) 。無論如何，直升機在密集城區(qū)低空都不能很好地自主旋轉，因為直升機的下滑角較大會導致著陸距離較短。

采用分布式電力推進技術的無人駕駛載人飛行器通過結合更加先進的自主駕駛系統(tǒng)，可以進一步提高飛行安全性，實際上，自主駕駛系統(tǒng)可在第一時間防止無人駕駛載人飛行器陷入任何可能危險的境地。自主飛行控制可以優(yōu)化航線飛行剖面，同時通過優(yōu)化最優(yōu)速度、爬升角、迎角和推進器/機翼傾角、懸停以及前飛的過渡速度范圍，最大限度地減少控制所需的額外動力。

讓乘客充分認識到良好的安全性也十分重要，尤其是在初始使用階段。最近的通用航空飛機采用了一種緊急安全模式，這種模式的工作原理相當于靠邊停車。通過避免使用大型旋翼，采用分布式電力推進技術的飛機還可以利用彈道式回收系統(tǒng)(可以在緊急情況下展開的整機降落傘) 讓飛機安全著陸，此外，還可以利用其他不斷發(fā)展并在接受測試的安全技術。還有多家公司正在開發(fā)更加先進的彈道式回收解決方案，幾乎能夠為所有運營狀況下的飛機(即使是飛機緩慢飛行以及接近地面時) 實現更可靠的安全性。

雖然這些安全因素的獨立作用可能存在某些差異，但這些差異有可能相互抵消，最終實現甚至超越2倍于駕車安全性的最高安全目標。當然，在安全方面的創(chuàng)新工作在第一批無人駕駛載人飛行器投產后還會繼續(xù)進行下去。

低噪聲水平

無人駕駛載人飛行器將在人口密集的城區(qū)上空低空飛行。因此，務必要確保無人駕駛載人飛行器不會影響社區(qū)生活，而無人駕駛載人飛行器開發(fā)人員也將減低噪聲這一目標牢記于心，使其擁有較低的、可接受的噪聲水平。社區(qū)之所以能夠接受公共安全類飛機，是因為此類飛機的使用頻率不高，并且具有明確的社會價值；不過，由于噪聲過大，人們一直以來反對將其用于其他目的。優(yōu)步公司將了解了針對無人駕駛載人飛行器的一組更加嚴格的噪聲定量和定性目標，分析設計中產生噪聲的根本功能，并探索最有望實現噪聲目標的技術進步。

噪聲的量化目標

美國聯(lián)邦航空局針對固定翼飛機對機場周邊社區(qū)的噪聲影響設置了相應的閾值，也針對直升機和傾轉旋翼機確定了相應閾值。不過，要實現廣泛的商業(yè)用途，無人駕駛載人飛行器必須滿足更嚴格的噪聲標準。

從定量方面而言，定義和有針對性地定制飛機及其配套的垂直起降場/站的飛行噪聲水平以及測量方法對有無人駕駛載人飛行器穿梭的新興社區(qū)也是有益的。要使社區(qū)能夠接受龐大規(guī)模的無人駕駛載人飛行器，飛機的噪聲必須融入到飛經區(qū)域的背景噪聲中。

通過探索現有的空中及地面交通，認識了如今的噪聲測量方法以及人們如何感知噪聲，然后根據這些知識來了解未來的無人駕駛載人飛行器經營能夠在多大程度上超過法規(guī)要求，達到更為嚴格的噪聲目標，才能為人們普遍接受。優(yōu)步確定了如下初步噪聲框架和目標：

(1) 飛機的噪聲目標

為了使載人飛行盡快實現普及，無人駕駛載人飛行器必須擁有較低的噪聲水平。通過垂直起降場/站飛行的無人駕駛載人飛行器最終的噪聲水平目標是接近于卡車在居民區(qū)道路上行駛的噪聲水平(最鄰近住宅受到的噪聲影響，50 ft，75～80dB) 的一半：500ft高度的最大聲壓級約為62dB，約是目前市場上最小的四座直升機噪聲水平的四分之一。

一個無人駕駛載人飛行器網絡將要部署可能由數百架飛機組成的機隊。如此多的無人駕駛載人飛行器同時飛行，噪聲僅僅達到與卡車相當的水平可能仍無法為人們所接受。因此，優(yōu)步公司認為，對于無人駕駛載人飛行器，達到中型卡車目前一半的噪聲水平才算合理的目標，即250ft高度的地面噪聲水平為67dB，根據之前所做的分析，這個目標是可以實現的。這相當于豐田瑞普斯汽車以35mile(1mile(英里)≈1.609km)的時速從距離聽者25ft的地方駛過。

(2) 長期干擾

當無人駕駛載人飛行器開始運營后，能夠確定具體著陸地點的環(huán)境噪聲特點而非使用任意目標非常重要。這對運營具有極大的好處，能夠使無人駕駛載人飛行器的運營更加敏銳地適應每個起飛和著陸地點的環(huán)境噪聲特點，將噪聲有效限制在不打擾周邊社區(qū)的水平以下。為了在垂直起降場(站)實現更具針對性和適應性的噪聲水平，運營商需要計算每個飛機在每個站點可以執(zhí)行的作業(yè)次數，同時將晝夜聲級的長期平均值保持在1dB的增長幅度之內，這是人耳可以察覺的最小響度變化。

(3) 短期干擾

無人駕駛載人飛行器的飛行噪聲導致周邊社區(qū)居民夜間被吵醒的增長幅度不會超過5%。如果無人駕駛載人飛行器能夠在250ft的高度達到67dB噪聲目標，那么降低飛行造成的夜間驚醒次數的增長幅度的可能性就更大。因為響度和驚醒次數之間存在直接統(tǒng)計關系，將短期干擾的最大夜間驚醒次數的增長幅度10%降低到的一半(即5%) 應該是可以實現的。

(4) 站點分析和定制

應在各個站點持續(xù)監(jiān)測無人駕駛載人飛行器飛行情況，確定實際的日間-傍晚-夜間背景噪聲水平。實時監(jiān)控站點噪聲可以記錄不會超過的目標噪聲水平，而且可以根據噪聲背景的變化進行調整這一閾值。美國聯(lián)邦航空局要求所有接受噪聲排放認證的飛機均使用統(tǒng)一航線。除了遵循面向直升機制定的標準化著陸、飛越上空和起飛程序外，運營商應該可以在進近和出發(fā)安全區(qū)內自行選擇任何航線，這將有助于獲得最低的噪聲劑量。優(yōu)步公司認為，有效感知噪聲可以測量單臺飛機飛行的相對響度，經過修改后可以實現如上所述的最優(yōu)航線，將是評價無人駕駛載人飛行器噪聲評價的最合適的指標。

飛行器設計

無人駕駛載人飛行器的主要噪聲源有主旋翼、尾旋翼和發(fā)動機。通過使用多個小型旋翼代替一個大型旋翼，飛機設計師可以同時提供足夠的垂直起飛動力，還能保持較低的可感知噪聲水平。無人駕駛載人飛行器采用分布式電力推進技術，結合不斷提高的自主化技術，使獨立控制多個電機來自適應控制推力方向變得可行，而無需尾旋翼或復雜的機械聯(lián)動。假設一架飛機配備26個旋翼，每個旋翼的直徑為5ft，而另一架為配備一個直徑為25ft旋翼的小型直升機。兩種機型的總旋翼面積均約為500ft2。單旋翼直升機的轉速為530r/min，葉尖速度為672ft/s(約Ma0.6) ，而26個旋翼的轉速為1700r/min，葉尖速度為445ft/s約Ma0.4)。看似差別甚小，但噪聲實則以葉尖速度的5～6倍增長。在這種情況下，葉尖速度提高到1.5倍，噪聲量則會增加到8～12倍之多。由于26個旋翼以幾乎相同的速度旋轉，噪聲只是各個旋翼噪聲量的簡單相加，人們感知到的響度不會比各個分散噪聲元素疊加到一起更大。

發(fā)動機是另一個重大噪聲來源。發(fā)動機分為活塞式發(fā)動機和渦輪發(fā)動機，發(fā)動機帶動很多旋翼，機械結構相當復雜，需要用到變速箱和橫軸，而這些裝置本身都會產生噪聲。分布式電力推進技術可以解決這一問題。首先，去掉發(fā)動機，從而減少一個主要的噪聲來源。電機的噪聲比活塞式發(fā)動機或渦輪發(fā)動機小得多，因為此類發(fā)動機無需燃燒碳氫化合物，也就不需要吸入和排出大量空氣。其次，電動垂直起降飛行器可以發(fā)揮分布式電力推進技術的優(yōu)勢，而且不改變尺寸。尺度不變的推進技術意味著，設計師可以根據需要產生升力和推力。如果飛行器使用分布式電力推進技術，則可以使用很多配備小型螺旋槳的電機，而不損失性能或增加重量。此外，通過使用分布式電力推進技術，還可優(yōu)化設計以更輕松地實現低噪聲目標，因為在電動垂直起降飛行器的整個范圍內，設計師有諸多選擇來實現扭矩和轉速目標，而無須添加變速箱。獨立的推進系統(tǒng)可以提供完全的冗余。因此，螺旋槳或電機單方面出現故障對飛機的推力和控制力的影響甚微。

分布式電力推進技術靈活性的另一個優(yōu)點是可以考慮設計可快速開啟或關閉且可傾斜的旋翼。此方法可用于避免前飛過程中的邊流，飛行時的葉尖速度可以為大約直升機葉尖速度的一半，且不會造成葉片失速，從而從根本上降低噪聲。

垂直起降飛行器產生的噪聲和下洗氣流總量由其起飛和降落所需推力的大小決定。要使噪聲盡可能降低，就需要限制垂直起降飛行器的載客量，讓噪聲和下洗氣流不會過大。這一容量非常符合潛在的按需城市空中交通服務，且在本質上和汽車(通常僅載1～4人) 相似。下洗氣流隨飛機重量增加而提高，因為它和推進系統(tǒng)加速所必需的空氣量直接相關。噪聲同樣也隨功率增加而增加，重量每增加一倍，噪聲提高約3dB，這在現有直升機噪聲規(guī)律中也可以反映出來。但地面上的人們不太可能會關心它是輕型還是重型直升機，他們只關心每次產生的噪聲大小或下洗風力。

除主旋翼外，直升機還有幾個其他噪聲來源：尾槳、發(fā)動機以及旋翼和其尾跡之間的氣流相互作用。由于這些噪聲所處頻帶不同，因此產生的響度比較各自的響度疊加在一起時要高，而分布式電力推進技術則不同。相對于接近的頻率，相差很大的頻率產生的生理響度明顯較高，而且頻寬較寬的聲音聽起來更響，因為人耳將各個頻帶作為獨立的噪聲源進行處理。這種噪聲來源的組合使得人們難以想出辦法，將傳統(tǒng)直升機的噪聲水平降至與高速公路或其他城市地點相當的背景噪聲水平。采用分布式電力推進技術的垂直起降飛行器沒有配置燃油發(fā)動機，可以利用多個旋翼的轉矩變化而非尾槳來實現偏航控制。

低排放水平

任何新型的城市交通方式顯然應該為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展負責。全電動垂直起降飛行器的設計提供了具有吸引力的解決方案，原因是所需電力來源是風能和太陽能等可再生能源，可以在飛行中的碳排放量為零，提供一種顯著降低碳排放的途徑。

要讓城市居民歡迎城市航空交通解決方案進入其城市，需要盡量將整個服務過程中(從飛機到持續(xù)的基礎設施建設和運營) 對當地社區(qū)所造成的環(huán)境影響降低至零。電動垂直起降飛行器是這種解決方案中必不可少而且也是令人期待的一部分，因為它們不但具備交通服務能力而且在當地的排放為零，同時有助于摒棄各種基于碳氫化合物的方案。

圖3 采用多旋翼的無人駕駛載人飛行器不僅安全性高，而且擁有較低的噪聲水平

影響交通服務生命周期排放量的因素不僅包括能源的排放，還包括飛機本身所需的(每人每英里) 能量。由于電動發(fā)動機的效率大約是內燃機或小型渦輪軸發(fā)動機效率的3～4倍，因此與現有小型飛機和直升機相比，電動飛機實際消耗的能源大幅減少。與直升機相比，電動發(fā)動機的集成自由度可使其他能源消耗減少約三分之一以上。

飛行性能

巡航與懸停效率

垂直起降飛行器的運行包括起飛時以大滑翔道傾角迅速攀升，達到高達幾千英尺的巡航高度，然后在行程結束時減速垂直降落。懸停時間可能需要限制在1min之內，大多數垂直起降過程在大約30s內完成。

與之相對應的是，直升機是專為軍事和多用途而設計的，需要持續(xù)懸停較長時間(搜尋和救援、電力線路檢修、在毫無準備的位置起降等) 。因此，目前直升機的設計重在優(yōu)化懸停效率，而非巡航能力。垂直起降飛行器需要將更多的時間用于巡航，這就引出了一個問題：如何優(yōu)化這種直升機以在短時間懸停與長時間巡航之間合理分配能量。

飛機利用機翼和螺旋槳實現高效巡航飛行，而直升機即使在巡航時也是利用旋翼升力和效率很低的旋翼傾斜實現前飛。決定是否使用機翼或旋翼的設計權衡主要取決于速度、航程和懸停要求，以及在著陸區(qū)的設計限制。隨著分布式電力推進技術的垂直載人飛行器設計逐漸成熟，可能會產生一系列方案，從固定式多旋翼設計到傾轉旋翼、再到各種吹氣襟翼飛機。

圖4 要讓城市居民歡迎城市航空交通解決方案進入其城市，需要盡量將整個服務過程中(從飛機到持續(xù)的基礎設施建設和運營) 對當地社區(qū)所造成的環(huán)境影響降低至零

在優(yōu)步公司的示例通勤場景中，在15～20min巡航中，加速到利用機翼升力巡航飛行，大大降低了巡航功率，用以彌補1min起降需要的功率。直升機設計師可以考慮整體節(jié)能效果，對飛行的經濟性產生有利影響，而且有助于重新平衡從懸停到巡航效率在設計中的優(yōu)先級。未來的垂直起降飛行器可能重新調整設計以用于不同的基礎設施，以及可能需要更長懸停時間及更短平均行程距離的主要用例。

雖然在很多人的印象中，電動飛機的速度比較低，但對根據美國國家航空航天局的的研究表明，由分布式電力推進技術提供動力的提升配置支持超過150mi/h的高速巡航解決方案。

目前的直升機設計表現為重視懸停效率的產品解決方案，因為其客戶習慣了這一功能。直升機所具備的高度操作靈活性對很多任務來說非常重要，但提高靈活性的巨大代價是噪聲提高，成本增加，而且尤為重要的是會降低巡航效率。

速度和航程

垂直起降飛行器的拼機網絡最終將需要各種類型的飛機，正如目前為客戶提供的拼車服務一樣。具有不同速度和運營航程的垂直起降飛行器將應運而生。適合短程(50mile以內) 的垂直起降飛行器的速度不需要與滿足長途通勤者需求的垂直起降飛行器的速度一樣。所謂長途通勤者是指如“美國超級通勤者普查”和“紐約大學超級通勤者研究”中規(guī)定的每天行程不少于100mile的人。美國的超級通勤者數量正快速增長，符合這一描述的通勤者人數有60多萬名。

圖5 實現大型電池組的快速充電是無人駕駛載人飛行器的重要性能

運營商在考慮影響未來服務的參數時，很明顯，速度受到一般地面速度的制約，卻要憑借門到門的速度優(yōu)勢與其他交通方式展開競爭。這表明，需要確定一種有效的速度(決定了客戶往返垂直起降場時的地面交通時間) ，要至少達到兩倍的門到門速度優(yōu)勢。美國國家航空航天局和麻省理工學院的城市垂直起降研究表明，在高度擁擠的都市區(qū)域，垂直起降飛行器的速度可在高峰時段達到其他交通工具的3～4倍。由于很大程度上取決于當地交通狀況，因此很難確定具體的速度要求。研究表明，分布式電力推進技術在速度為150～200mile/h時效率最高。

美國聯(lián)邦航空局規(guī)定高度在10000ft以下的飛行活動的速度上限是287mile/h。在某些敏感的地理位置，美國聯(lián)邦航空局將這一速度上限降至230mile/h(如華盛頓特區(qū)) 。一方面需要低速高效，一方面希望提高飛機利用率以將成本分攤到更多里程中，要在兩者之間進行平衡，結果可能是一種折中，即垂直起降飛行器的速度在150～230mile/h之間會比較合理。很少有直升機的飛行速度可以達到這一水平，且無法在合理的效率下做到這一點。

目前的通勤情況表明，短期內最小的有效垂直起降范圍是以最大速度完成兩次50mile的行程，并由足夠的能量可供兩次起降，同時還滿足美國聯(lián)邦航空局的儀表飛行規(guī)則30min的儲備能量規(guī)定。通過與美國聯(lián)邦航空局和國際保險經理人協(xié)會合作，飛機制造商也許可以為制造航程更短儲能要求更低的電動飛機打下基礎，因為這樣的飛機有很多備選降落位置，而且在較短飛行時間內應對天氣變化的不確定性降低。要滿足這一航程要求，就需要電池至少需要保持20%的電量以確保較長的使用壽命。這種類型的任務與以最佳航程飛行速度執(zhí)行200mile單程行程的能源要求相似。

電池性能

優(yōu)步公司認為，垂直起降飛行器設計可以實現升阻比大于10(理想范圍是12～17) 、電池的比能量為400W·h/kg的巡航空氣動力效率。電動垂直起降飛行器可能會使用大型電池組，4座的飛行器配備140k·Wh的電池組。使用大型電池組可確保很好地匹配電池比功率，以實現較高的比能量。要提高飛機利用率，就要求在執(zhí)行多個平均行程距離之后再充電，從而為使用大型電池組提供進一步支持。從本質上講，這與特斯拉比照其他汽車設計電動汽車的方式相似，采用更大的電池組并改進比能量，因為放電效率是有限的。如果垂直起降飛行器的基礎設施支持在各次行程之間，抓緊乘客登機和下機的幾分鐘時間，使用高壓快速充電器完成再充電，則行程范圍將進一步擴大。

尤其令人興奮的是，美國能源部的“Battery 500”計劃將在未來5年內投入5000萬美元，研發(fā)500W·h/kg的電池以及350kW大容量充電器。美國在鋰金屬電池領域的研究正在努力實現1000次循環(huán)壽命，同時將每千瓦時成本降低到100美元以內。如果可以將成本控制在這一范圍內，這樣的循環(huán)壽命是極易被接受的。同樣令人興奮的是，高能充電器將能夠在短短10min之內完成再充電。

未來，脈沖充電器的研究已經證明可以改善循環(huán)壽命，并且能隨著時間推移維持改進后的最大充電容量。實現大型電池組的快速充電和實現高比能量電池同等重要，甚至更為重要。

有效載荷

有效載荷重量(或者說乘客的數量) 決定著飛機的整體大小。優(yōu)步公司預計，運營初期還會需要飛行員，隨著時間推移，垂直起降飛行器很有可能會變?yōu)闊o人機。因此，最低標準是兩座垂直起降飛行器，也就是只能搭乘一名乘客。

更大的有效載荷將需要更大功率來進行起降，同時也意味著噪聲更大。較大的飛機在結構上更高效，且運載的“乘客/飛行員比”更高，從而降低運營成本。根據之前直升機噪聲敏感度與飛機大小的關系研究，最可能符合嚴格的社區(qū)噪聲限制的是可運載少數乘客的小型垂直起降飛行器。

“美國旅游調查”跟蹤了與汽車運輸利用率相關的統(tǒng)計數據，針對一般的汽車類按需乘客出行工具的大小給出了合理指導建議。這些數據表明，對于100mile以內的行程，超過70%的行程都是一個人，平均負載系數為1.3人。對于100mile以上的行程，超過59%的行程都是一個人，平均負載系數為 1.6人。

以前傳統(tǒng)的空中出租車的統(tǒng)計數據也非常相似。有關SATSAir和DayJet等公司負載系數的證據表明，4座和5座飛機的平均載客量達到了1.3～1.7。綜合以上各種因素，最適合作為城市無人駕駛載人飛行器的有效載荷容量是2～4座。

自主駕駛

自主駕駛的垂直起降飛行器將提高運營的安全性，就像自主駕駛汽車有潛力減少汽車事故一樣。自主駕駛的垂直起降飛行器可能會在一段時間之后變成現實，因為用戶和監(jiān)管機構會逐漸適應這一技術，并看到證明自主駕駛比人類飛行員駕駛的安全性更高的統(tǒng)計數據。和其他改進一樣，要表明安全性相同或更高，直接的做法就是證明在部件發(fā)生故障(或操作錯誤) 時依舊能安全運行。

為快速達到垂直起降飛行器可能的最安全操作狀態(tài)，垂直起降飛行器網絡運營商將努力尋找盡快實現完全自主駕駛的途徑。和地面交通工具相比，垂直起降飛行器的飛行環(huán)境更加開放、有序，只有在起降時會接近地面、建筑物和人員。雖然可能會有空域限制并且需要注意其他垂直起降飛行器，但和自主駕駛汽車(需要注意從建筑物到路上障礙物等方方面面，并且只有很短的反應距離) 相比，垂直起降飛行器的自主化所面臨的挑戰(zhàn)似乎沒有那么令人畏懼。

自主駕駛的長期解決方案可能是將飛行員從機上轉移到地面上，優(yōu)步公司預計在技術成熟時，地面上的飛行員將能夠同時監(jiān)控和管理數架垂直起降飛行器。

在地面上設置自主化的備用傳感器也提供了一個盡早普及自主駕駛的途徑。由于垂直起降飛行器可組合使用各種備用方案，以確保運營安全(遠程飛行員和自主化垂直起降場的飛機飛行確認) ，自主駕駛的垂直起降飛行器可能會快速發(fā)展，甚至可能超過汽車或不依賴高度結構化、標準化的垂直起降場和垂直起降站基礎設施的飛機的發(fā)展速度。

認證

無論在哪一個國家/地區(qū)運營，無人駕駛載人飛行器都必須先符合主管航空安全的航空管理機構的規(guī)定，并獲得認證。這些規(guī)定為飛行器設計、生產、駕駛執(zhí)照發(fā)放，以及維護和運營要求確立了標準。

制定認證路徑包括幾個步驟。首先，監(jiān)管機構和制造商必須就認證依據達成一致。認證依據是指適用于特定飛機的一套規(guī)則。其次，監(jiān)管機構和制造商必須就如何根據認證依據判斷飛機的合規(guī)性達成一致。再次，制造商證明飛行器符合監(jiān)管機構所接受的標準以獲得型號認證，這是一個反復進行的過程。完成型號認證之后，制造商便可以開始制造，與此同時，制造商要取得生產證書以證明其具備大量生產符合同一標準的飛機的能力。

商業(yè)銷售或使用的飛機在生產之前都要求獲得研發(fā)實驗類別的特殊適航證書。這在有人駕駛飛機的開發(fā)過程中是很短的一段時間，期間還要協(xié)商運營限制以使飛行測試遠離人口密集地區(qū)。

圖6 最適合作為城市無人駕駛載人飛行器的有效載荷容量是2 ～4座。

圖7 地面上的飛行員將能夠同時監(jiān)控和管理數架自主駕駛的垂直起降飛行器

加快認證速度

一直以來，對于簡單的端到端認證過程(型號和生產認證) ，例如，新型常規(guī)通用航空飛機的認證，獲得型號證書大約需要2～3年的時間，另外還需一年時間獲得新的生產證書。但是，新型飛機的推出需要新的認證，可以與型號證書認證同時進行，這會將端到端認證過程延長至 4 ～ 8年。

優(yōu)步公司認為，發(fā)現加快無人駕駛載人飛行器認證，可以更快加速按需城市空中交通服務的上市時間。首先，拼機服務是一種非常具體的用例。優(yōu)步公司非常了解客戶的需求，優(yōu)步公司在全球坐擁龐大的客戶群，大部分客戶非常希望這一愿景能在今天就成為現實。其次，對于無人駕駛載人飛行器的認證，美國聯(lián)邦航空局和歐洲航空安全局(EASA)將很快采用ASTM 44規(guī)范，取代第23部(針對小型固定翼飛機的規(guī)定) 。一旦該規(guī)范得到普及，就將打開在此美國聯(lián)邦航空局框架下為無人駕駛載人飛行器制定標準的大門。第三，飛機制造商可以向美國聯(lián)邦航空局申請在確定型號認證依據之前，為其飛機頒發(fā)試驗適航證書。這樣的審批過程非常簡便，可以讓飛機在受限情況下飛行，例如，僅搭載機組人員、不從事營利性運營。隨著飛行時間的積累，可以放寬一些限制以實現示范飛行。驗證飛行可以證明一些影響運營認證的功能和特性，而且對于公眾了解并接受這些飛機產生的極低噪聲是至關重要的。第四，一直以來，美國聯(lián)邦航空局和EASA在等效安全水平這一概念方面的表現都很積極，允許不直接遵守標準要求，而是通過提供證據證明可以通過其他方式實現同等安全水平。例如，這種方法非常適用于飛行器的全自主駕駛。飛行員駕駛通過認證之后，便可以推出自主駕駛系統(tǒng)，實現大規(guī)模的數據采集，證明自主駕駛飛行至少與飛行員駕駛一樣安全的統(tǒng)計學意義。這樣做可以避免非常漫長的自主駕駛標準制定過程，同時向美國聯(lián)邦航空局提供統(tǒng)計學方面的安全證據，讓美國聯(lián)邦航空局有信心向前推進。

運營商認證

美國的商用空中出租車服務在第135部的監(jiān)管范圍內，這部法規(guī)允許定期的通勤航班以及非定期(按需) 的空中出租車航班。優(yōu)步公司預計，飛機在可以按照型號證書生產后，這些規(guī)則將無需針對無人駕駛載人飛行器進行大的改動。個人可以以單人飛行員經營者的身份獲得簡化的證書，或者允許擁有多名在職飛行員、主管運營和維護的主管以及首席飛行員的公司按照第135部法規(guī)開展運營。

飛行員培訓

目前，美國按照第135部運營要求，持有商業(yè)機長在目視飛行規(guī)則操縱下機長飛行時間不少于500h，儀表飛行規(guī)則下的機長飛行時間不少于1200h。無人駕駛載人飛行器的飛行員可以是擁有固定翼飛機或者直升機飛行經驗的飛行員，機長總飛行時間要求可以包括駕駛任一種飛機的時間。

具有自主駕駛功能的無人駕駛載人飛行器將顯著改變飛行員的技能要求。目前，飛行員必須比照目標航線監(jiān)控飛機軌跡，調整很多飛機狀態(tài)參數以使軌跡和目標航線保持一致。自主駕駛是指飛行器能夠自主做出這些調整，飛行員的指令僅限于控制所需軌跡。

優(yōu)步公司認為，早期成功運營之后，由于飛行員的操作任務負擔減輕，任務范圍縮減，對飛行員在傳統(tǒng)飛行操作方面的經驗要求會有所降低。

在飛行員培訓中，飛行員要獲得認證，需要證明具備處置故障模式、在惡劣狀況下繼續(xù)安全飛行的能力。一般的私人飛行員花8～10h學習基本的操作動作，其余時間則學習處置失速、跑道條件差、側風操作、發(fā)動機故障等非正常的飛行情況。商業(yè)飛行員和儀表飛行員也是如此，他們駕駛的飛機復雜程度更高，精確度更好。